浦儀公路位于南京市江北新區，起點位于G104與江北大道相交的浦泗立交，向東北兩次跨越八卦洲夾江，經南京化工園、六合瓜埠鎮南，接繞越高速公路（南京長江四橋接線），全長約28公里。其中，起點到南京二橋段是項目的西段，全長11.50公里，功能定位為普通國省道兼顧城市快速路，采用一級公路建設標準，建成后將與南京二橋、繞城公路、南京五橋、江北大道形成南京公路一環。

圖1 浦儀公路西段在路網中的定位

浦儀公路西段上壩大橋跨越長江八卦洲左側夾江，大堤間距約2100m，大橋由西跨堤橋、西引橋、主橋、東引橋、東跨堤橋組成，其中主橋采用（50+180+500+180+50）m獨柱形鋼塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，西、東跨堤橋分別為100m主跨和80m主跨變截面預應力混凝土連續箱梁橋，東西引橋為50m跨徑等截面混凝土連續箱梁橋。全橋總體布置如圖2所示。

圖2 浦儀公路西段上壩大橋總體布置圖（單位：m）

主要技術標準——

1.道路等級：雙向六車道一級公路，兼具城市快速路功能。

2.設計速度：100km/h。

3.荷載標準：公路—I級；人非荷載2.5KN/m2。

4.橋面寬度：主橋標準橫斷面總寬54.4m。鋼箱梁斷面分幅布置在索塔兩側，外側設置行人與非機動車道。上壩大橋引橋標準橫斷面總寬40.3+Lm。人非系統標準橫斷面全寬4.0m。

5.環境類別：I類。

6.橋涵設計洪水頻率：1/300。

7.抗震設防標準：主橋P1水準地震重現期取500年，地表水平地震加速度0.134g，P2水準地震重現期取2000年，地表水平加速度0.215g；引橋P1水準地震重現期取100年，地表水平加速度0.078g；P2水準地震重現期取2000年，地表水平加速度0.209g。

8.航道等級：橋梁通航凈高不小于32m，雙向通航凈空寬度不小于328m。

9.船撞力：西側過渡墩、輔助墩防撞船型為10000噸級（壓載），西側主墩為10000噸級，東側主墩為3000噸級。

10.基本風速：根據《公路橋梁抗風設計規范JTG/T D60-01-2004》及抗風專題研究報告，取28.9m/s。

橋型方案

根據通航要求、河工模型試驗結果和水利部門的意見，本橋主跨不宜小于500m。由于江面寬約2000m，對于主跨500m的橋梁，斜拉橋和拱橋可滿足本項目的建設條件，但是對于主跨500m的拱橋，已經是超大跨度了，技術難度、施工風險和工期風險很大，因此采用斜拉橋方案。對于索塔材料，采用混凝土塔或鋼塔都是可行的。混凝土塔結構尺寸較大、重量大、施工速度較慢，而鋼塔結構尺寸較小、重量輕、節段工廠化制作、施工速度快，較混凝土塔縮短工期6個月以上、質量易控制。雖然鋼塔總體造價較混凝土塔有一定增加，但基礎工程量較混凝土塔基礎有所減少，基礎部分造價略降。根據對本項目特點和具體建設條件的研究，為保證工期，最終采用可以大量工廠化制造、施工速度快的鋼塔鋼箱梁斜拉橋方案。

在橋跨布置上，由于橋位處深槽偏右岸，設計中將一個主墩設在右岸（八卦洲側）水邊，另一個主墩設在淺水中。主橋為雙塔雙索面鋼塔鋼箱梁斜拉橋，采用全漂浮體系，橋跨布置為（50+180+500+180+50）m，見圖2。

塔形方案

由于本橋位于城市邊緣，距長江邊的幕燕風光帶較近，在景觀方面有較高的要求，而斜拉橋的塔形對全橋景觀效果起著至關重要的作用。斜拉橋典型橋塔形式主要是 H形、鉆石形或人字形，以及獨柱形塔。雙塔斜拉橋橋面以上索塔的高度與主跨跨徑之比宜為1/4～1/6，則本橋橋面以上塔高在83～125m之間。考慮到空間索面橋面上建筑限界凈空因素，并為使全橋有高聳、挺拔的景觀效果，橋面以上宜取較高值。而橋面以下，通航凈高要求在最高通航水位以上不小于32m，則下塔柱高度約為45m，全塔高度約為160～170m。

對于常規的H形和鉆石形塔，由于下塔柱高度相對較矮，橋面又有人非系統，索塔易顯得矮胖，景觀效果相對略差。而獨柱塔外觀簡潔挺拔，個性鮮明，尤其是對寬橋有很好的適應性，能取得較好的景觀效果，且獨柱鋼塔斜拉橋在國內尚無先例，塔形無雷同，給人耳目一新的感覺。在受力方面，獨柱鋼塔施工階段抗風穩定性較差，但在成橋階段，塔柱受四根拉索不同角度對稱張拉，抗風穩定性優于H形塔。在工期方面，獨柱塔吊裝塊件最少，工期最省。造價方面，獨柱塔少了一個塔肢，用鋼量最少，雖然增加了兩幅主梁間橫梁用鋼量，但鋼塔的綜合單價比鋼箱梁高，獨柱塔造價最低。因此本橋雖為雙塔斜拉橋，但每個索塔采用獨柱結構的鋼塔。

采用獨柱鋼塔，主梁如仍舊是整體斷面，橋面須在索塔處開孔使塔柱穿過，橋面部分有較大的浪費。由于本橋設置有人非系統，雙向六車道一級公路標準斷面寬度33.0m，主橋兩側另設4.0m的人非寬度，不含錨索區及風嘴，橋面寬度已達41m。采用獨柱塔，塔柱在主梁處的截面尺寸約8～10m寬，兩幅主梁將拉開或開孔10m左右，橋面總寬將達到55m左右（含錨索區和風嘴），主梁宜采用分離式鋼箱梁。本橋采用左右兩幅分離式鋼箱梁斷面，兩幅梁之間用箱形鋼橫梁連接，可以減輕主梁自重，減少鋼材用量。另外，拉索從獨柱鋼塔上拉到主梁兩側機動車道外側，形成空間雙索面，人非系統懸挑于拉索之外，行人與非機動車視野開闊，整個斜拉橋的塔、梁、索、橫梁骨架清晰，立體感分明，有較強的美感。獨柱鋼塔見圖3。

圖3 索塔構造圖（單位：cm）

獨柱鋼塔由于橋面以上塔柱截面尺寸較小，而且鋼結構阻尼比小，易產生風振問題。對于矩形塔柱這種細長的鈍體斷面，可能發生的風振是馳振、渦振及抖振。通過數值風洞試驗和模型試驗，證明本橋獨柱塔無馳振這一發散的危險性振動，但在特定風速下，在橋塔自立狀態（即塔柱施工完掛斜拉索之前），可能產生較大振幅的渦激共振。進一步的風洞試驗研究表明，通過提高獨柱鋼塔的阻尼比，可以有效地減小渦振振幅。我國公路橋梁抗風設計規范中，鋼結構的阻尼比為0.5%，但實測的國內泰州大橋鋼中塔及日本的許多鋼塔，阻尼比均小于0.5%。日本規范建議對不同的振動頻率，采用不同的阻尼比。本橋鋼塔的特征振動頻率為0.23Hz，對應此頻率日本規范建議采用0.15%的阻尼比較合適。模型試驗中，對鋼塔阻尼比分別為0.1%、0.25%、0.5%、1.0%、1.2%都進行了風洞試驗。結果表明，當阻尼比為1%時，渦振振幅小于10cm；當阻尼比為1.2%時，已無渦振現象。在橋塔自立狀態時，通過增設TMD的措施來提升結構阻尼比，以抑制渦激共振和抖振振幅，當設置30噸TMD時，鋼塔阻尼比可達到1.2%。因此，設計采用在塔頂設置TMD 的方法來解決鋼塔渦振問題。

結構支承體系

由于采用獨柱鋼塔，為保證景觀效果，索塔在主梁處不設下橫梁，上部結構采用縱向漂浮體系，索塔與兩側鋼箱梁之間設置橫向抗風支座約束橫向位移，不設豎向支座。索塔與中跨和邊跨的第一道橫梁之間各設置2個縱向黏滯阻尼器（每個索塔4個），以改善結構的動力響應、控制縱向位移，單個阻尼的阻尼系數為1000、速度指數為0.4。黏滯阻尼器對脈動風、剎車和地震引起的動荷載具有阻尼耗能作用，而對溫度和汽車引起的緩慢位移無約束。當由靜風、溫度和汽車引起的塔梁相對縱向位移，在阻尼器設計行程以內時，不約束主梁運動。

過渡墩及輔助墩處設置縱向滑動拉拔支座，并限制橫向位移。輔助墩與主梁底部之間設置縱向限位擋塊，以限制主梁的風荷載位移。主橋約束體系概要匯總于表1。

索塔設計

（1）索塔主要構造

索塔為獨柱形鋼塔，塔高166.0m，主梁以上索塔高度為130.693m。索塔采用切角矩形斷面，單箱多室布置，由四周壁板和三道腹板（一道橫腹板和兩道縱腹板）構成。為了減小塔柱截面風阻系數，改善渦振性能，設置尺寸為0.8m×0.8m的切角，將截面進行鈍化。塔柱橋面以上基本為等截面，斷面尺寸為6.0m（橫橋向）×6.5m（順橋向），自橋面以上開始向下圓弧漸變，至底部斷面16.0m（橫橋向）×9.5m（順橋向）。

塔柱壁板和腹板厚度根據計算分析采用44mm和50mm兩種，全塔采用板式加勁肋，橫隔板的間距為1.6～3.8m。為方便維修人員通行，在塔柱內設置電梯通道及人行爬梯通道。塔柱腹板上設若干人孔，可供維修人員從橋面部位進入塔內，以及在塔內部各個室之間可相互穿越。

圖4 索塔一般斷面和塔底斷面圖（單位：mm）

（2）索塔節段劃分與連接

塔柱共劃分為19個節段，為縮短塔柱架設工期，塔柱節段間采用栓接接頭。T1～T5節段采用浮吊吊裝，其余節段采用塔吊安裝。為減少塔柱節段間拼接縫數量對景觀效果的影響，在起吊重量不變的前提下，對塔柱節段采取了豎向分塊的設計，豎向拼縫通過耳板設在塔柱內部。考慮到索塔安裝中誤差的調整，在浮吊架設的J1～J4和錨索區下方J10接口，設置了調整接頭。

（3）拉索在塔上的錨固方式

拉索在塔上的錨固如采用鋼錨箱，則塔柱壁板和內外側腹板均受較大水平力，不利于豎向分塊的螺栓連接。而采用鋼錨梁，錨梁平衡了恒載拉索水平力，塔柱壁板和腹板受力很小，有利于簡少豎向螺栓拼縫， 且構造上，拉索錨固區用鋼量相近，錨梁只多了中間梁的部分，全橋一共增加鋼材130噸。另外，錨箱必須與塔柱一起在工廠制作后整體吊裝，錨梁可與塔柱分開吊裝，可減輕吊重8～10噸。因此從受力和安裝角度考慮，本橋采用錨梁方案。錨梁構造見圖5。

圖5 錨梁構造圖（單位：mm）

（4）塔底連接

鋼塔底部與混凝土承臺的連接，采用高強螺桿的錨固方案，塔柱根部的壓應力主要通過塔柱底板傳遞到承臺混凝土中，而拉應力則通過錨固螺桿傳遞到基礎中。由于索塔在成橋后，除裸塔和地震工況外，塔柱基本不出現拉應力，預拉力的數值根據最不利工作狀態下，塔底截面無拉力出現狀況（底板不出現縫隙）來控制。

鋼箱梁設計

（1）橫斷面設計

主橋標準橫斷面總寬54.4m，鋼箱梁斷面分幅布置在索塔兩側，外腹板外側設置行人與非機動車道，單幅箱梁（含人非系統挑臂）寬22.05m。分幅式箱梁具有良好的顫振穩定性能，根據主梁節段模型風洞試驗表明，顫振臨界風速均大于120m/s，滿足顫振穩定性檢驗要求。鋼箱梁標準橫斷面見圖6。

圖6 鋼箱梁標準橫斷面（單位：mm）

（2）梁段劃分與構造

考慮構造及施工架設等因素，主梁劃分為67個梁段，均采用全斷面焊接方式。主梁節段標準長度16m、邊跨尾索區節段標準長度為9.6m。中跨標準梁段采用橋面吊機施工，邊跨標準梁段采用高支架存梁施工，標準梁段起吊重量約391t，特殊梁段最大起吊重量約495t。

頂板采用16mm鋼板，橫向近外腹板錨索區采用20mm板厚，U肋厚8mm。底板根據受力需要，不同區段采用14～28mm四種不同的鋼板厚度，底板U肋分6mm和8mm兩種。為提高橫隔板的整體受力性能、有利于保障橋面板剛度，橫隔板采用整體式，橫隔板標準間距為3.2m。兩幅鋼箱梁在拉索對應位置，采用中間箱形橫梁連接，箱形橫梁寬度為橫隔板間距。為設置塔梁間的縱向阻尼器及施工階段塔梁的臨時縱向約束，在近塔處B梁段增設一道橫梁。標準橫梁頂底板厚20mm，腹板厚16mm，B梁段連接阻尼的橫梁腹板加厚至30mm。

索梁錨固構造采用錨箱，錨箱構造分成了M1～M3共三種類型。

（3）人非系統挑臂

人非系統挑臂由頂板及挑臂板組成，頂板厚14mm，采用U形加勁肋，在靠近端部及腹板處采用板肋。挑臂板厚12mm，下翼緣板厚14mm。伸縮縫處挑臂板加厚至20mm。

（4）壓重構造

為確保在正常運營荷載下，過渡墩及輔助墩不出現上拔力，在橋墩附近鋼箱梁內施加壓重。過渡墩、輔助墩墩頂壓重區域單幅為170kN/m（局部120kN/m），全橋共計混凝土壓重材料1220m3。壓重采用底板鋼槽放置重混凝土塊方式，混凝土容重要求達到35kN/m3。

圖7 鋼箱梁壓重布置示意圖

斜拉索設計

采用1860MPa平行鋼絲斜拉索，全橋共4×16×2=128根斜拉索，最長274m，最大規格為PES7-283，單根最大重量為25.7t。

下部結構設計

根據索塔所處位置的地形、地質、水文和環境等自然因素以及地層情況，設計采用群樁基礎，每個索塔承臺下共18根樁，單樁直徑為φ2.8m；索塔承臺頂設置錐形塔座，塔座厚3.5m，承臺厚6.0m。輔助墩和過渡墩基礎，均采用群樁基礎，單樁直徑為φ2.2m。 西主墩和西邊墩位于水中，均進行了防船撞設計。

上壩大橋主橋鋼箱梁及鋼塔構件眾多，并且塔柱下段是雙向曲面結構，局部構造復雜，對加工制造的要求也高。若采用傳統的平面、立面和側面三視圖的設計方法，塔柱內的許多曲面構造無法表達，對設計師的要求很高。另外塔柱節段、鋼錨箱構造復雜，板件數量多，制圖工作量大，而且在設計過程中不容易發現細部構造的問題，比如焊接空間以及局部碰撞問題。

為解決上述問題，在本項目設計中，在國內大跨橋梁設計中，首次采用了全橋三維BIM正向設計技術。 所謂正向設計，是相對于過去的BIM翻模設計而言的。以前的BIM設計，一般是先完成三視圖設計，根據設計圖紙，建立BIM模型。而本橋采用的是“先建模，后出圖”的設計方式，即不經過傳統的三視圖出圖階段，直接利用Catia軟件建立橋梁結構的三維模型，然后根據出圖需要，進行二維平、立、側面投影出圖。正向設計可將BIM三維模型與二維三視圖相關聯，讓同類型的圖紙能夠批量化生成，這就大大簡化了出圖工作量。BIM三維模型還可以和局部計算的有限元模型關聯起來，將BIM模型直接導入有限元軟件進行局部分析，根據計算分析結果，修改各個橋梁結構的構件參數，使得二維圖紙能夠隨三維模型的參數變化而變化。另外，完成設計計算分析和出圖后的BIM模型，可以傳遞給施工單位和運營養護單位，在施工和運營維護階段，不斷為模型補充后續信息，為橋梁的施工、管養提供可視化的后續服務。

浦儀公路西段上壩大橋作為南京公路一環的最后一個重要節點，采用了適合橋位處建設條件的獨柱鋼塔鋼箱梁斜拉橋設計方案，這種獨柱變截面鋼塔的全新橋梁造型設計，較好地適應了城市周邊的建設條件，解決了寬橋的景觀效果問題，在國內是首創。另外，根據本橋的具體特點，采用雙向曲面變化的鋼塔構造設計、豎向分塊的塔柱節段設計、為減少塔壁拉力的鋼錨梁設計，均是國內鋼塔斜拉橋中首創。同時，本橋是國內第一個采用BIM正向出圖設計的大型橋梁，解決了傳統三視圖雙向曲面投影出圖的難題，為復雜橋梁設計提供了新的設計思路，提升了橋梁設計品質，并對后續的預制加工、管理養護提供了技術支持。本橋已于2018年3月開工建設，計劃于2020年底建成通車。